浙师大胡恩来/张璟，大化所陈忠伟院士AEM：简易暴露P-Co/Co(OH)2界面增强碱性电析氢活性与稳定性

第一作者：刘雨洋

通讯作者：胡恩来*，张璟*，陈忠伟*

单位：浙江师范大学化学与材料科学学院，浙江大学硅材料国家重点实验室，中国科学院大连化学物理研究所

碱性阴离子交换膜水电解槽（AEMWE）是一种极具前景的低成本、可持续制氢方法，然而，与酸性条件相比，碱性条件下阴极的析氢反应（HER）动力学极为迟缓。尽管铂族金属仍是HER的基准催化剂，但它们的稀缺性和高成本限制了其广泛应用，因此亟需研发非贵金属替代催化剂。钴基材料因其储量丰富且电子结构可调控，成为极具潜力的候选者。构建异质界面被认为是提升钴基催化剂碱性HER活性的有效策略，但传统的界面工程电催化剂往往忽视了催化活性位点的精确暴露，部分核壳结构中致密厚重的壳层会掩盖核内潜在的优异界面位点，严重限制了活性的提升。此外，羟基的缓慢脱附过程近期备受关注，其过度吸附不仅会抑制碱性HER速率，还会导致表面重构和氧化，从而降低AEMWE的耐久性。因此，明确界面上羟基吸附对稳定性的影响机制是目前面临的重要挑战。

近日，浙江师范大学的张璟/胡恩来团队与中国科学院大连化学物理研究所陈忠伟联合，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为 “Facile Exposure of P-Co/Co(OH)₂ Heterointerfaces for Enhanced Activity and Stability in Alkaline Hydrogen Evolution Reaction”的研究文章。该研究提出一种次亚磷酸钠诱导的电沉积策略，构建了具有独特异质界面的磷掺杂钴和氢氧化钴（P-Co/Co(OH)₂复合材料，通过暴露的异质界面显著提升了碱性析氢反应的活性与稳定性。

研究团队在添加次亚磷酸钠的条件下通过一步电沉积合成了具有大量异质界面的P-Co/Co(OH)₂微球，其表面主要暴露金属Co和Co(OH)₂的界面作为主要活性区域；而未添加磷源时得到的Co@Co(OH)₂则为核壳结构，以金属Co为核、Co(OH)₂为壳，内部的Co/Co(OH)₂异质界面大部分无法接触电解液。扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等表征证实了P-Co/Co(OH)₂中磷的均匀分布及异质界面的存在，且金属Co物种可在其表面被检测到，表明磷源的引入对表面结构产生了关键影响。

在1 M KOH溶液中，富异质界面的P-Co/Co(OH)₂表现出优异的HER性能，仅需36.7 mV的过电势即可达到10 mA cm^-2的电流密度，远优于核壳结构Co@Co(OH)₂的217.6 mV，且接近商业Pt/C的性能。同时，其塔菲尔斜率为43.6 mV dec^-1，小于Co@Co(OH)₂的73.9 mV dec^-1，表明具有更优异的HER动力学和更强的水离解能力。在稳定性测试中，P-Co/Co(OH)₂在250 mA cm^-2的电流密度下可稳定运行55 h，电流密度保持率高达97.1%，而Co@Co(OH)₂仅能保持59.1%。此外，P-Co/Co(OH)₂在中性介质中也表现出优于Co@Co(OH)₂的活性与稳定性。

理论计算、电化学测试和原位红外光谱等研究揭示，P-Co/Co(OH)₂暴露的异质界面通过以下方式提升性能：一是加速水离解动力学，其水离解能垒（1.20 eV）低于Co@Co(OH)₂（1.59 eV）；二是优化氢吸附，氢吸附自由能（0.01 eV）更接近理想值；三是缓解羟基吸附，羟基吸附能（0.65 eV）高于Co@Co(OH)₂（-0.01 eV），促进羟基脱附，减少对活性位点的阻塞，从而显著提升耐久性。活性位点中毒实验和酸处理实验进一步证实了异质界面在HER活性和稳定性中的关键作用。

将P-Co/Co(OH)₂作为阴极与高性能阳极（NiFe-LDH）组装成AEMWE，在室温下仅需2.03 V即可驱动200 mA cm^-2的电流密度，并能稳定运行350 h，电流密度保持率高达90.1%，展现出在实际制氢中的巨大应用前景。

Facile Exposure of P-Co/Co(OH)₂ Heterointerfaces for Enhanced Activity and Stability in Alkaline Hydrogen Evolution Reaction

胡恩来博士简介：胡恩来博士于2022年加入浙江师范大学化材学院，主要围绕镍/钴基复合材料的设计、合成及其在碱性电析氢、碘氧化的应用研究。主持国家自然科学基金青年项目等。以第一或通讯作者在Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., ACS Materials Lett.等期刊上发表论文十余篇。

张璟博士简介：张璟，化学与材料科学学院双龙学者特聘教授，硕士生导师。2015-2019年加拿大滑铁卢大学获化学工程博士学位，2019-2021年滑铁卢大学博士后，2021年9月加入浙江师范大学，主要从事新能源电池体系与材料的研究。在Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater.等权威期刊上发表学术论文50余篇，主持国家自然科学基金、浙江师范大学双龙学者科研启动费等科研项目，参与多项加拿大自然科学基金项目，及金华市科技局项目。曾获国家优秀自费留学生奖学金、国际电化学能源会议EEST优秀报告奖、滑铁卢大学优秀博士毕业论文、滑铁卢纳米中心优秀研究奖等。指导本科生立项国家级大学生创新创业训练、浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）项目；指导学生获得第四届全国大学生化学实验创新设计大赛全国一等奖、浙江省大学生化学竞赛一等奖。

陈忠伟院士简介：陈忠伟，加拿大皇家科学院院士、工程院院士。目前担任中国科学院大连化学物理研究所研究员，能源催化转化全国重点实验室主任、动力电池与系统研究部（DNL29）部长、加拿大皇家科学院委员会委员、国际电化学能源科学院（IAOEES）副主席，中国化学会旗舰期刊Renewables主编，Royal Society of Chemistry -Energy Environ. Book Series主编。陈忠伟院士2018-2023年连续六年被科睿唯安评为“全球高被引学者”，荣获：国际电化学能源科学卓越奖、加拿大最高国家科技奖、全世界TOP100,000科学家、全球能源科学与工程领域高被引学者、加拿大清洁能源先进材料领域资深首席科学家（Tier I）、加拿大皇家学会杰出青年学院成员、2018年卢瑟福纪念奖章、加拿大创新基金会领袖机遇基金奖等多个国际奖项。以第一作者和通讯作者身份，在Nature Energy、Nature Nanotechnology、Chemical Reviews、Chemical Society Reviews、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Nature Communications、Joule、Matter、Chem、Advanced Materials、Energy & Environmental Science等国际重要学术刊物上发表论文600余篇，被引83500余次，H因子达148，另外，编著3部，申请/授权美国、中国和国际专利100余项，多项成果实现产业化转化和应用。

刘雨洋：主要从事电催化析氢材料的研究，在本工作中负责P-Co/Co(OH)₂复合材料的制备、表征及性能测试等核心工作，为研究的顺利开展做出重要贡献。